Fission af uran kerner. Kædereaktion. Beskrivelse af fremgangsmåden

Dividere kernen - et tungt atom opdeling i to fragmenter på ca. samme vægt, efterfulgt af frigørelse af en stor mængde energi.

Opdagelsen af kernespaltning starten på en ny æra - "atomic alder". Potentialet af dens mulige anvendelser og balancen i risiko for at drage fordel af dens anvendelse, ikke kun gav anledning til en masse sociologiske, politiske, økonomiske og videnskabelige resultater, men også et alvorligt problem. Selv fra et rent videnskabeligt synspunkt, den nuklear fission proces skabt et stort antal af gåder og komplikationer, og en komplet teoretisk forklaring på det er en ting af i fremtiden.

Deling - gavnlige

bindingsenergi (per nukleon) er forskellige i forskellige kerner. Tungere har en lavere bindingsenergi end der ligger i midten af det periodiske system.

Det betyder, at tunge kerner, hvori det atomare tal større end 100, med fordel opdelt i to mindre fragmenter, hvorved der frigives energi, som omdannes til kinetisk energi af fragmenterne. Denne proces kaldes opdeling atomkerne.

I overensstemmelse med den stabilitet kurve, der viser afhængigheden af antallet af protoner fra stabile nuklider til neutron- tungere kerne foretrækker et større antal neutroner (sammenlignet med antallet af protoner) end lysere. Dette tyder på, at der ud over opdelingen processen vil blive udsendt nogle "ekstra" neutroner. Derudover vil de også overtage noget af den energi, der frigives. Undersøgelse fission af uran atomer viste, at dette genererer en neutron 3-4: U → ^{238 145 90} La + Br + 3n.

Atomnummeret (og atommassen) af fragmentet er ikke lig med halvdelen atommassen af forælder. Forskellen mellem masserne af atomer dannet som et resultat af spaltning er sædvanligvis ca. 50. Men grunden til dette er endnu ikke helt klar.

De bindende energier ²³⁸ U, ¹⁴⁵ La Br og ⁹⁰ er 1803, 1198 og 763 MeV hhv. Det betyder, at der frigøres energi uran fission lig 1198 + 158 = 763 til 1803 MeV et resultat af reaktionen.

spontan fission

spontane opdeling processer er kendt i naturen, men de er meget sjældne. Den gennemsnitlige levetid for denne fremgangsmåde er ca. 10 ^17, og for eksempel den gennemsnitlige levetid for alfa-henfald af radionuklidet er omkring 10 ^11.

Grunden til dette er, at for at adskille i to dele, skal kernen først undergå deformation (stræk) i en ellipseform, og derefter, forud for den endelige spaltning i to fragmenter danne en "hals" i midten.

potentiel barriere

I den deformerede tilstand i kernen af to kræfter. En af dem - den øgede overfladeenergi (overfladespænding væskedråber forklarer dets sfærisk form), og den anden - Coulomb frastødning mellem fissionsfragmenterne. Sammen de producerer potentialbarrieren.

Som i tilfældet med alfahenfald at forekomme spontan fission af uran atomkerner, skal fragmenterne overvinde denne barriere ved hjælp af kvantetunnelering. Barrieren er omkring 6 MeV, som i tilfælde af a-henfald, men sandsynligheden for tunnelering af a-partikler er betydeligt større end det langt tungere produkt opdeling atom.

tvunget nedbrydning

Meget mere sandsynligt er induceret fission af uran kerner. I dette tilfælde er den forælder kernen bestrålet med neutroner. Hvis en forælder det absorberer, da de er bundet til frigivelse af bindingsenergien i form af vibrationsenergi, der kan overstige 6 MeV er nødvendige for at overvinde den potentielle barriere.

Hvor yderligere neutron energi ikke nok til at overvinde potentialbarrieren skal hændelsen neutron have en minimal kinetisk energi for at kunne inducere spaltning af atomet. I tilfældet med ²³⁸ U ekstra neutron bindingsenergi mangler omkring 1 MeV. Dette betyder, at uran fission inducerede kun en neutron med en kinetisk energi på over 1 MeV. På den anden side, den ²³⁵ U isotop har en uparret neutron. Når en kerne absorberer yderligere, danner med det et par og en yderligere bindingsenergi er et resultat af denne parring. Dette er tilstrækkeligt til at frigive den mængde energi, der kræves for at overvinde potentialbarrieren af kernen og opdelingen af isotoper fundet sted i en kollision med en neutron.

Beta henfald

På trods af at den fission reaktion udledes af tre eller fire neutroner, fragmenter stadig indeholde flere neutroner end deres stabile isobarer. Det betyder, at spaltningsfragmenter er generelt ustabile med hensyn til betahenfald.

For eksempel, når der er en afdeling af kernen af ^uran-238 U, stabile isobarer med A = 145 ¹⁴⁵ er neodym Nd, hvilket betyder, at fragmentet lanthan La ¹⁴⁵ deler sig i tre faser, hver gang ved at udstråle elektron og en neutrino indtil en stabil nuklid dannet. Stabile isobarer med A = 90 ⁹⁰ er zirconium Zr, så spaltningsfragment brom Br ⁹⁰ deler sig i fem faser kæde β-henfald.

Disse kæde β-henfald udsender ekstra energi, som føres bort næsten alle elektronen og en neutrino.

Kernereaktioner: fission af uran

Direkte nuklid fra neutronstråling med for stort antal af dem til at sikre stabiliteten i kernen er usandsynlig. Her pointen er, at der ikke er nogen Coulomb frastødning, og så overfladeenergien tendens til at bevare neutron grund af forælder. Ikke desto mindre, nogle gange sker det. F.eks fission fragment Br ⁹⁰ i den første beta-henfald frembringer en krypton-90, som kan være placeret i en exciteret tilstand med tilstrækkelig energi til at overvinde overfladeenergien. I dette tilfælde kan forekomme neutronstråling direkte til dannelse af en krypton-89. Denne isobarer er stadig ustabil med hensyn til beta-henfald er endnu ikke gå ind i stalden yttrium-89, således at krypton-89 er opdelt i tre faser.

Uran fission: Kædereaktion

Neutroner, der udsendes i spaltningsreaktionen kan absorberes af den anden forælder-kerne, som derefter undergår selv-induceret fission. I tilfælde af uran-238 tre neutroner, som opstår ud med energier der er mindre end 1 MeV (den energi frigives i fission af uran kerne - 158 MeV - hovedsagelig omdannes til kinetisk energi spaltningsfragmenter), så de ikke kan forårsage en yderligere opdeling af dette nuklid. Men hvis en væsentlig koncentration af den sjældne isotop U ²³⁵ disse frie neutroner kan opfanges af kernerne i ²³⁵ U, det kan faktisk forårsage spaltning, da der i dette tilfælde er der ingen tærskel energi under hvilken opdelingen ikke induceres.

Dette er princippet kædereaktion.

Typer af kernereaktioner

Lad k - antal neutroner produceres i en prøve af det fissile materiale i trin n i kæden, divideret med antallet af neutroner produceret i trin n - 1. Dette antal vil afhænge af antallet af neutroner produceret i trin n - 1, absorberes af kernen, som kan undergå induceret fission.

• Hvis k <1 på, at kædereaktionen er simpelthen tør for damp og processen vil stoppe meget hurtigt. Dette er, hvad der sker i uforarbejdet uran malm, hvori koncentrationen ^{af 235} U er så lille, at sandsynligheden for absorption af en neutron denne isotop er yderst ubetydelig.

• Hvis k> 1, vil den kædereaktion fortsætte med at vokse, så længe alt det fissile materiale vil ikke blive brugt (atombomben). Dette opnås ved at berige naturlige malm at opnå en tilstrækkelig høj koncentration af uran-235. For sfæriske prøve værdi k øges med sandsynligheden for neutron absorption, som er afhængig af radius af kuglen. U vægt skal derfor overstige en vis kritisk masse til fission af uran (kædereaktion) forekomme.

• Hvis k = 1, så er der en kontrolleret reaktion. Det anvendes i atomreaktorer. Processen styres fordeling blandt uran stave af cadmium eller bor, som absorberer de fleste af de neutroner (disse elementer er i stand til at indfange neutroner). Dividere uran kerner det automatisk styrede ved at bevæge stangen, således at k værdien forbliver lig med en.